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ロボットの9号（イライジャ・ウッド Elijah Wood 声）が突然目を覚ますと、周りの世界は危機に満ち、廃墟と化した終末の光景が広がっていた。9号は三つの奇怪な記号が描かれた円形の物体を携え路上へ逃げるが、発明家ロボットの2号（マーティン・ランダウ Martin Landau 声）に出会い、声を授けられる。しかし2号は機械獣に捕らえられてしまう。9号は老兵1号（クリストファー・プラマー Christopher Plummer 声）、機械工5号（ジョン・C・ライリー John C. Reilly 声）、狂気の画家6号（クリスピン・グローヴァー Crispin Glover 声）、怪力の8号（フレッド・タタショア Fred Tatasciore 声）を見つけ出す。9号は5号と共に2号救出に向かうが、危機に陥ったところを女戦士7号（ジェニファー・コネリー Jennifer Connelly 声）に救われる。しかし、9号は知らず知らずのうちに最終機械獣を復活させてしまう。自分がどこから来たのか、生存の使命は何なのかという問いを抱え、9号は機械獣を制圧し世界を救うため、あらゆる手段を尽くす決意をする……